JP3772877B2 - 原位置地盤の鉛直方向透水試験装置 - Google Patents

Description

この発明は、原位置地盤の鉛直方向の透水係数を不攪乱試料により測定する透水試験装置の技術分野に属し、更に言えば、先の特願２００３−３５４１９０に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置を改良した装置に関する。

地盤の透水係数の測定は、例えば薬液注入工法を実施する事前の調査として、或いは地中構造物の建設において、環境への影響予測、施工時の地盤の安定性確保または湧水処理等を適切に行うために必要とされる。

透水試験装置に関する従来技術として、下記の特許文献１、特許文献２及び特許文献３に開示された透水性試験装置は、主として水平方向の透水係数を測定する装置であり、真正な鉛直方向の透水係数を測定することはできない。

特許第３３８８１４４号公報 特開平５−２３９８１８号公報 特許第２７９６７４８号公報

今般、本出願人は、真正な鉛直方向の透水係数を求めることができる鉛直方向透水試験装置を開発し別途特許出願した（特願２００３−３５４１９０）。

図６は、前記鉛直方向透水試験装置の実施概要を示し、図７は、同鉛直方向透水試験装置の主部１１の構造を詳細に示している。この鉛直方向透水試験装置は、図６に示したように、予め掘削したボーリング孔１０の孔底１０ａから、主部１１を地盤中に貫入して不攪乱試料Ｓを取り込み、そのまま原位置で鉛直方向透水試験を行い、地上のパーソナルコンピュータ２０にデータを入力するなどして透水試験を行うものである。ちなみに、図６中の符号１８は掘削機械、符号１９は揚水量計器、符号１９ａは揚水ホース、符号２１は掘削機械１８の回転ヘッド、符号２２はウオータースイベル、符号２３は中管ロッド１５の支持体、符号２４は掘削流体の給水管を示している。

主部１１は、図７に示したように、ボーリング孔１０の孔底１０ａの直下地盤を掘削するために回転される外管１２と、同外管１２の上端を一体的に支持して回転力を伝達する管状の外管ロッド１３と、前記外管１２の内部に非回転状態に収納されて不攪乱試料Ｓを取り込む中管１４と、同中管１４を非回転状態に支持する管状の中管ロッド１５と、同中管１４の内周面に沿って設置され中管１４に取り込んだ不攪乱試料Ｓと中管１４との間の水みちを塞ぐべく膨張され又は収縮が自在な内管１６とで構成されている。

前記中管１４の中へ取り込まれた不攪乱試料Ｓは、前記内管１６を膨張させることで水みちが閉塞される。しかる後に揚水ポンプ１７を駆動して不攪乱試料Ｓの上端と下端との間に水頭差（水圧差）を発生させることにより、不攪乱試料Ｓの内部に鉛直方向上向きの浸透流が発生する（図７の矢印）。その際の揚水ポンプ１７の揚水量を揚水量計器１９で測定し、不攪乱試料Ｓの上端及び下端位置の水圧を圧力センサー９ａ、９ｂで計測し、既知量である不攪乱試料Ｓの長さ及び直径との相関関係を基に演算して、真正な原位置地盤の鉛直透水係数を求める。

上述した特願２００３−３５４１９０に開示した技術は、真正な鉛直方向の透水係数を測定できる点で注目されるが、下記する点が危惧され、更なる改良が望まれる。

上記原位置地盤の鉛直方向透水試験装置における内管１６は、地上からガス圧或いは液圧を送ることにより適度に膨張させ又は収縮させる必要のため、主にゴム系の材料で所謂パッカーとして製作される。しかし、ゴム系材料は表面の摩擦係数が大きく、不攪乱試料Ｓを内管１６内に取り込む際に、内管１６と不攪乱試料Ｓとの間に大きな摩擦力が発生する。その結果、（１）ゴム系材料が不攪乱試料Ｓを圧縮するなどして当該不攪乱試料Ｓが乱される虞がある。（２）地盤の無水掘り掘削は、汚染物質を拡散させることなく不攪乱試料Ｓを取り込む方法として好適に実施されるが、無水掘り掘削を行うと、前記内管１６と不攪乱試料Ｓとの間の摩擦力が一層大きく働いて掘削機械１８の能力を上回り、掘削途中で前記主部１１（外管１２と中管１４）が貫入不能となったり、掘削途中で内管が破損する虞がある。

本発明の目的は、端的に云えば、先の特願２００３−３５４１９０に開示した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置の内管の内側面に、取り込む不攪乱試料との間の摩擦力を低減する筒状の摩擦低減膜材を密着するように設けて、上記（１）と（２）の課題を解決した鉛直方向透水試験装置を提供することである。

上述した従来技術の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置は、
地盤を掘削するために回転される外管１２と、前記外管１２を支持し回転力を伝達する管状の外管ロッド１３と、前記外管１２の内部に非回転状態に収納され不攪乱試料Ｓを取り込む中管１４と、前記中管１４を非回転状態に支持する管状の中管ロッド１５と、前記中管１４の内周面に沿って設置され中管１４に取り込んだ不攪乱試料Ｓと中管１４との間の水みちを塞ぐべく膨脹され又は収縮が自在な内管１６とから成り、前記中管ロッド１５の内部に設置された揚水ポンプ１７、及び前記中管１４の上下の位置に設置された圧力センサー９ａ、９ｂを備え、更に前記内管１６を膨張させる手段、及びデータ処理手段１９、２０を含む構成の原位置地盤の鉛直方向透水試験装置であって、
前記内管１６の内側面に沿って、取り込むべき不攪乱試料Ｓとの間の摩擦力を低減する筒状の摩擦低減膜材１が密着状態に配置され、該摩擦低減膜材１の上端部は前記中管１４内の上端部近傍位置に止着され、その下端部は前記中管１４内の下端部近傍位置に止着されており、不攪乱試料Ｓを前記筒状の摩擦低減膜材１の内部に取り込み可能に構成されていることを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置において、筒状の摩擦低減膜材１の上端部は、中管１４内の上端部近傍位置に着脱自在に設置された通水構造の位置決め部材２に固定されていることを特徴とする、

請求項３に記載した発明は、請求項２に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置において、通水構造の位置決め部材２は、不攪乱試料Ｓの取り込み長さを所望の大きさに規制する、タッチセンサー２５を備えていることを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、請求項１に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置において、筒状の摩擦低減膜材１の下端部１ａは、中管１４内の下端部近傍位置にＯリング３などの固定手段で着脱自在に止着されていることを特徴とする。

本発明に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置によれば、内管１６の内側面に、取り込むべき不攪乱試料Ｓとの間の摩擦力を低減する筒状の摩擦低減膜材１を密着状態に設けたので、不攪乱試料Ｓを取り込む際の摩擦力を大幅に低減することができる。よって、不攪乱試料Ｓを圧縮するなどの変形を生じさせることなく安定した状態で乱されない不攪乱試料Ｓを取り込むことができる。その結果、精度の高い原位置地盤の真正な鉛直方向透水係数を求めることができる。また、内管１６と取り込むべき不攪乱試料Ｓとの間に摩擦低減膜材１を介在させているので、不攪乱試料Ｓを取り込む際に内管１６が破損する虞がなく経済的である。特に、無水掘り掘削を行う場合には、スムーズな掘削作業を実現でき、鉛直方向透水試験装置の主部（外管１２と中管１４）が掘削途中で貫入不能となる事態を防ぐことができる。

請求項１〜４に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置は、原位置地盤の鉛直方向の透水係数を測定するのに供される不攪乱試料を、内管内に極力乱さないでスムーズに取り込むことにより精度の高い透水係数を測定するべく、以下のように実施される。

本発明に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置の構成概要は、図６に基づいて上述した通りである。図６は、現地の地盤中に試験対象の直上深さまで掘削したボーリング孔１０の孔底１０ａへ到達する位置まで鉛直方向透水試験装置の主部１１が挿入された段階を示している。

本発明により改良した主部１１は、図１に示す構成とされている。即ち、前記ボーリング孔１０の孔底１０ａの直下地盤を掘削するために回転される外管１２と、前記外管１２の上端を一体的に支持して回転力を伝達する管状の外管ロッド１３と、前記外管１２の内部に非回転状態に収納され不攪乱試料Ｓを取り込む中管１４と、前記中管１４を非回転状態に支持する管状の中管ロッド１５と、前記中管１４の内周面に沿って設置され中管１４に取り込んだ不攪乱試料Ｓと中管１４との間の水みちを塞ぐべく膨脹され又は収縮が自在な内管１６とで、いわば三重管式構造に構成されていることに変わりがない。
本発明により改良した鉛直方向透水試験装置は、上記内管１６の内側面に沿って、取り込むべき不攪乱試料Ｓとの間の摩擦力を低減する筒状の摩擦低減膜材１が密着状態に配置され、該摩擦低減膜材１の上端部は前記中管１４内の上端部近傍位置に防水テープなどの固定手段（図示省略）で止着され、その下端部は前記中管１４内の下端部近傍位置に防水テープなどの固定手段（図示省略）で止着されている。よって、不攪乱試料Ｓを前記筒状の摩擦低減膜材１の内部にスムーズに取り込み可能である。なお、前記摩擦低減膜材１と中管１４との固定手段は防水テープに限定されない（以上、請求項１記載の発明）。

前記筒状の摩擦低減膜材１は、汎用のテフロン（登録商標）シート又はポリエンレンフィルムなど、取り込むべき不攪乱試料Ｓとの間の摩擦力を低減する部材が好適に使用される。図示例では、厚さ０．１ｍｍ程度のテフロンシートが筒状に形状され、前記内管１６の内側面のほぼ全面にわたって密着する程度の大きさで実施されている。

前記筒状の摩擦低減部材１を前記中管１４の内側面に設置する手順は、一例として、先ず、筒状の摩擦低減膜材１の上部を中管１４（内管１６）の下方から挿入し、当該摩擦低減膜材１の上端部を前記中管１４の内側面における上端部に位置決めして防水テープ等の固定手段で止着する。次に、前記内管１６の内側面に沿って垂れ下がる筒状の摩擦低減膜材１の下端部を、たるまないように前記中管１４の内側面における下端部に位置決めして防水テープ等の固定手段で止着する。なお、前記摩擦低減膜材１の上端部の止着作業については、前記中管ロッド１５と中管１４とをねじ接合する構造とし、当該中管ロッド１５を中管１４から取り外して実施することが作業効率を図る上で好ましい。

斯くして、前記筒状の摩擦低減膜材１は、その上端部を中管１４の内側面における上端部に止着され、その下端部を中管１４の内側面における下端部に止着されて、たるみなく内管１６の内側面に密着状態で設置される。よって、前記筒状の摩擦低減膜材１は、摩擦抵抗を極力抑え、乱されない不攪乱試料Ｓをスムーズに取り込むことができる。

請求項１に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置によれば、鉛直方向透水試験装置の内管１６の内側面に、取り込むべき不攪乱試料Ｓとの間の摩擦力を低減する筒状の摩擦低減膜材１を密着状態に設けているので、不攪乱試料Ｓを取り込む際の摩擦力を大幅に低減することができる。よって、不攪乱試料Ｓを圧縮するなどの変形を生じさせることなく安定した状態で乱されない不攪乱試料Ｓを取り込むことができる。また、内管１６と取り込むべき不攪乱試料Ｓとの間に摩擦低減膜材１を介在させているので、不攪乱試料Ｓを取り込む際に内管１６が破損する虞がなく経済的である。特に、無水掘り掘削を行う場合には、スムーズな掘削作業を実現でき、鉛直方向透水試験装置の主部１１（外管１２と中管１４）が掘削途中で貫入不能となる事態を防ぐことができる。

上記のようにして中管１４で予定した試験区間Ｌ相当長さの乱されない不攪乱試料Ｓのスムーズな取り込みが行われた後は、先に出願した特願２００３−３５４１９０に記載したような地盤の鉛直方向透水試験が行われる。即ち、内管１６に対して地上からガス圧或いは液圧を送り、内管１６を適度に膨脹させて不攪乱試料Ｓに密着させることにより、不攪乱試料Ｓと内管１６との境界部の緩みに起因する水みちを閉塞させる。しかる後に、揚水ポンプ１７を駆動して不攪乱試料Ｓより上方の中管１４及び中管ロッド１５の内部に滞留する地下水を揚水して水圧を充分に低下させる。このときの水圧の大きさは上部の圧力センサー９ａによってリアルタイムに測定され、地上のパーソナルコンピュータ２０に記録、表示される。かくして採取した不攪乱試料Ｓの上端と下端との間に水頭差（水圧差）を発生させることにより、不攪乱試料Ｓの内部に鉛直方向上向きの浸透流が発生する。そこで、前記の条件下で揚水ポンプ１７の揚水量を地上の揚水量計器１９で測定し、同時に不攪乱試料Ｓの上端および下端位置の水圧を圧力センサー９ａ、９ｂで計測し、既知量である不攪乱試料Ｓの直径及び長さＬとの関係を演算することにより、原位置地盤の真正な鉛直方向透水係数を求める。

上述した透水試験により求めた原位置地盤の鉛直方向透水係数は、筒状の摩擦低減膜材１により極力乱さないでスムーズに取り込んだ不攪乱試料Ｓを基に算出しているので、精度の高い透水係数を測定することができるのである。

実施例２は、図２に示したように、上記実施例１と比して、中管１４に対する摩擦低減膜材１の固定手段のみ相違する。すなわち、前記筒状の摩擦低減膜材１の上端部は、中管１４内の上端部近傍位置に着脱自在に設置された通水構造の位置決め部材２に固定して実施している（請求項２記載の発明）。また、前記筒状の摩擦低減膜材１の下端部は、中管１４内の下端部近傍位置にＯリング３などの固定手段（パッキング）で着脱自在に止着して実施している（請求項４記載の発明）。

具体的に、前記筒状の摩擦低減膜材１は、図３に示したように、その上端部の内側面を前記位置決め部材２の外周面に沿って密着させて防水テープ５などの固定手段で固定されている。前記位置決め部材２は、前記中管１４の内側に納まる程度の大きさで、鉛直方向に通水可能な構造とするべく中央部にメッシュ２ａを装着した中空の円筒形状で実施しており、前記中管１４の奥端部にボルト４などの接合手段で着脱可能に取り付けられている。ちなみに、図３中の符号４ａは、ボルト孔を示している。

前記筒状の摩擦低減部材１の下端部は、前記中管１４の下端部近傍位置にＯリング３を嵌め込んで、たるみなく止着されている。具体的に、前記中管１４は、図４Ａ、Ｂに示したように、その本体１４ａと、止めリング１４ｂと、先端シュー１４ｃとを鉛直方向に着脱可能に取り付けた構造で実施されている。前記中管１４の内側面は、前記Ｏリング３の肉厚分に相当する厚さの凹部を形成し、当該中管１４にＯリング３を嵌め込んだ場合に同中管１４の内側面とＯリング３の内側面とがほぼ面一となる構造設計とすることに留意する。

前記筒状の摩擦低減膜材１を前記中管１４の内側面に設置する手順は、一例として、先ず、筒状の摩擦低減膜材１の上端部を固定した位置決め部材２を中管１４（内管１６）の下方から挿入し前記中管１４の奥端へ位置決めしてボルト４で固定する。次に、前記内管１６の内側面に沿って垂れ下がる筒状の摩擦低減膜材１の下端部１ａを、たるまないように前記中管１４の本体１４ａの下端縁部にＯリング３を当てがう。続いて、前記先端シュー１４ｃを下部に備えた止めリング１４ｂを、ビス３０止めしたストッパー３１を利用して前記本体１４ａに連結し、前記Ｏリング３をロックして固定する。

斯くして、前記筒状の摩擦低減膜材１は、その上端部を中管１４の内側面における上端部に固定され、その下端部を中管１４の内側面における下端部に固定されて、たるみなく前記内管１６の内側面に密着状態で設置される。よって、前記筒状の摩擦低減膜材１は、摩擦抵抗を極力抑え、乱されない不攪乱試料Ｓをスムーズに取り込むことができる。なお、前記中管１４は、原位置地盤に予定した試験区間Ｌと位置決め部材２の高さを合わせた程度の有効長さに形成することに留意する。

よって、請求項２及び請求項４に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置によれば、上記実施例１で説明した作用効果に加え、筒状の摩擦低減膜材１の中管１４に対する着脱作業をスムーズに行わしめると共に、当該摩擦低減部材１の内管１４に対する止着効果を更に高めて実施することができる。

実施例３は、図５Ａ、Ｂに示したように、上記実施例２と比して、上記位置決め部材２の代わりに、不攪乱試料Ｓの取り込み長さを所望の大きさに規制する、タッチセンサー２５を備えた位置決め部材６を設置していることのみ相違する（請求項３記載の発明）。

このタッチセンサー２５を備えた位置決め部材６は、一例として、中管１４に固定される外管７と、外管７に収容され同外管７に対して鉛直方向に相対移動可能な内管８とで主に構成され、前記外管７の上端部には同外管７に対して鉛直方向に相対移動可能に設けた変位伝達棒２８と、同変位伝達棒２８の下端部を固定した伝達部材２９と、前記外管７と伝達部材２９とを連結した弾性体（ばね）２６ａと、前記伝達部材１１と内管８とを連結した弾性体（ばね）２６ｂとで構成されている。前記弾性体２６ａ、２６ｂは、水圧以上の土圧（圧力）で縮む性能で実施する。ちなみに、図中の符号８ａはメッシュ、符号２７は信号ケーブルを示している。なお、前記位置決め部材６は、通水構造であり、土圧作用でタッチセンサー２５の棒部２５ｂを押し上げる構造であれば図示例に限定されない。

上記構成のタッチセンサー２５を備えた位置決め部材６は、内管１６（筒状の摩擦低減膜材１）内に取り込んだ不攪乱試料Ｓを所望の高さまでスムーズに取り込むと、不攪乱試料Ｓが前記位置決め部材６の内管８を押し上げる。同内管８を押し上げることで弾性体２６ｂが伝達部材２９、及び同伝達部材２９に下端部を固定した変位伝達棒２８を押し上げる。当該押し上げられた変位伝達棒２８がタッチセンサー２５の棒部２５ｂを押し上げ、タッチセンサー２５の受け部２５ａに接触し信号が出力され、当該信号を受信した時点で貫入作業を終了する。

よって、請求項３に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置によれば、上記実施例２で説明した作用効果に加え、過度の貫入による不攪乱試料の圧縮を防いでより正確な量（高さ）の不攪乱試料Ｓを採取することができる。その結果、より精度の高い透水係数を測定することができる。

以上に実施例を図面に基づいて説明したが、本発明は、図示例の実施例の限りではなく、その技術的思想が逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更、応用のバリエーションの範囲を含むことを念のために言及する。例えば、筒状の摩擦低減膜材１の上端部を図１に示したように止着し、その下端部を図２に示したように固定して実施しても良い。また、筒状の摩擦低減膜材１の上端部を図２又は図５に示したように固定し、その下端部を図１に示したように止着して実施しても良い。

実施例１に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置の主要部分の構成を示した断面図である。 実施例２に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置の主要部分の構成を示した断面図である。 実施例２に係る筒状の摩擦低減膜材を示した立面図である。 Ａは、実施例２に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置の下部構造を示した断面図であり、Ｂは、同側面図である。 Ａは、実施例３に係るタッチセンサーを備えた位置決め部材を示した断面図であり、Ｂは、同底面図である。 原位置地盤の鉛直方向透水試験装置の構成概要を示した立面図である。 従来技術を示した断面図である。

符号の説明

１ 筒状の摩擦低減膜材
１ａ 下端部
２ 位置決め部材
２ａ メッシュ
３ Ｏリング（パッキング）
４ ボルト
４ａ ボルト孔
５ 防水テープ
６ 位置決め部材
７ 外管
８ 内管
８ａ メッシュ
９ａ、９ｂ 圧力センサー（水圧計）
１０ ボーリング孔
１０ａ 孔底
１１ 主部
１２ 外管
１３ 外管ロッド
１４ 中管
１５ 中管ロッド
１６ 内管
１７ 揚水ポンプ
１８ 掘削機械
１９ 揚水量計器
１９ａ 揚水ホース
２０ パーソナルコンピュータ
２１ 回転ヘッド
２２ ウオータースイベル
２３ 支持体
２４ 給水管
２５ タッチセンサー
２５ａ タッチセンサーの受け部
２５ｂ タッチセンサーの棒
２６ａ、２６ｂ 弾性体（ばね）
２７ 信号ケーブル
２８ 変位伝達棒
２９ 伝達部材
３０ ビス
３１ ストッパー
Ｓ 不攪乱試料

Claims (4)

1. 地盤を掘削するために回転される外管と、前記外管を支持し回転力を伝達する管状の外管ロッドと、前記外管の内部に非回転状態に収納され不攪乱試料を取り込む中管と、前記中管を非回転状態に支持する管状の中管ロッドと、前記中管の内周面に沿って設置され中管に取り込んだ不攪乱試料と中管との間の水みちを塞ぐべく膨脹され又は収縮が自在な内管とから成り、前記中管ロッドの内部に設置された揚水ポンプ、及び前記中管の上下の位置に設置された圧力センサーを備え、更に前記内管を膨張させる手段、及びデータ処理手段を含む構成の原位置地盤の鉛直方向透水試験装置であって、
   前記内管の内側面に沿って、取り込むべき不攪乱試料との間の摩擦力を低減する筒状の摩擦低減膜材が密着状態に配置され、該摩擦低減膜材の上端部は前記中管内の上端部近傍位置に止着され、その下端部は前記中管内の下端部近傍位置に止着されており、不攪乱試料を前記筒状の摩擦低減膜材の内部に取り込み可能に構成されていることを特徴とする、原位置地盤の鉛直方向透水試験装置。
2. 筒状の摩擦低減膜材の上端部は、中管内の上端部近傍位置に着脱自在に設置された通水構造の位置決め部材に固定されていることを特徴とする、請求項１に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置。
3. 通水構造の位置決め部材は、不攪乱試料の取り込み長さを所望の大きさに規制する、タッチセンサーを備えていることを特徴とする、請求項２に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置。
4. 筒状の摩擦低減膜材の下端部は、中管内の下端部近傍位置にＯリングなどの固定手段で着脱自在に止着されていることを特徴とする、請求項１に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置。

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